DE102005062398A1

DE102005062398A1 - Regenerieren eines Partikelfilters mit einer oxidationskatalytischen Beschichtung

Info

Publication number: DE102005062398A1
Application number: DE200510062398
Authority: DE
Inventors: Asmus Dipl.-Ing. Carstensen; Bernd Dr.-Ing. Hupfeld; Stefan Dipl.-Ing. Weßels
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2005-12-23
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2025-12-24
Also published as: DE102005062398B4

Abstract

Bei einem Verfahren zum Regenerieren eines in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors angeordneten Partikelfilters mit einer oxidationskatalytischen Beschichtung ist vorgesehen, dass nach Anforderung einer Regeneration für ein Zeitintervall DELTAt¶1¶ der Verbrennungsmotor mit Lambda < 1 Luft-Kraftstoffgemisch betrieben wird, für ein Zeitintervall DELTAt¶2¶ eine Sekundär-Lufteinblasung in das Abgas erfolgt und zur Aufheizung von aufgefangenen Partikeln auf eine Zündtemperatur zumindest eine Teilmenge des Lambda < 1 Luft-/Kraftstoffgemischs im Bereich der oxidationskatalytischen Beschichtung exotherm oxidiert wird. Die Erfindung umfasst einen Verbrennungsmotor zur Ausführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regenerieren eines Partikelfilters jeweils gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patenansprüche.
Die stetige Weiterentwicklung von Einspritzsystemen und Brennverfahren für Verbrennungsmotoren hat es in der Vergangenheit ermöglicht, immer schärfer werdende Partikelemissionsvorschriften zu erfüllen. Um sogar schärfste Emissionsvorschriften erfüllen zu können, werden zunehmend Partikelfilter als zusätzliche Abgasnachbehandlungsmaßnahme eingesetzt. Als Ergebnis der Filtration des Abgases lagert sich auf dem Filter Ruß ab, der in Intervallen zur Regeneration des Filters abgebrannt werden muss. Für das Abbrennen muss der Filter auf eine Zündtemperatur der aufgefangenen Partikel beziehungsweise des Rußes von ca. 550°C aufgeheizt werden. Eine derartige Zündtemperatur lässt sich durch motorische Applikationsmaßnahmen nur in einem eingeschränkten Kennfeldbereich von Verbrennungsmotoren darstellen. Besonders für nichtmotornah angeordnete, beispielsweise im Unterbodenbereich angeordnete Partikelfilter stellt das Erreichen der Zündtemperatur, zumindest im Teillastbetrieb ein erhebliches Problem dar. Es ist daher schon vorgeschlagen worden, die Zündtemperatur des abgelagerten Rußes durch Additivsysteme, bei denen dem Kraftstoff Additive zugesetzt werden herabzusetzen.
Ferner sind Brennersysteme zum Abbrennen des abgelagerten Rußes vorgeschlagen worden, die jedoch zusätzlichen konstruktiven und Steuerungsaufwand erfordern. Additive können zusätzlich zu einem erheblichen Ascheeintrag in den Filter führen. Die erwähnten Vorschläge sind daher mit erheblichen Mehrkosten und erhöhtem Wartungsaufwand verbunden.

Aus der DE 37 11 101 A1 bereits ein Abgaskrümmer für eine Brennkraftmaschine bekannt, der mit einer kontinuierlichen Filterregenerierung durch Ausnutzung der bei einem katalytischen Oxidationsprozess erzeugten Wärme arbeitet. Der Abgaskrümmer weist einen Brennraum mit individuelle Abgasleitungen auf, die in ein gemeinsames Abgassammelrohr mit einem katalytisch beschichteten Filter für Festkörperteilchen im Abgas einlaufen. Die beim katalytischen Oxidationsprozess erzeugte Wärme dient zur Regeneration des Filters durch Abrennen der aufgefangenen Festkörperteilchen. Abgasleitungen und Sammelrohr sind von einem abgasdichten Mantel mit Abstand zur Bildung eines Sekundärluftkanals umgeben, der im wesentlichen entgegen der Abgasströmung in den Abgaskrümmer kontinuierlich von Luft durchströmt ist und im Bereich der dem Sammelrohr abgekehrten Enden der Abgasleitungen in diese einmündet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist auf eine einfache Weise und mit geringem konstruktiven Aufwand eine bedarfsgerechte Regeneration eines mit einer oxidationskatalytischen Beschichtung versehenen Partikelfilters zu ermöglichen.

Die Erfindung wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Erfindungsgemäß wird nach Anforderung einer Regeneration für ein Zeitintervall Δt₁ der Verbrennungsmotor mit einem Lambda < 1 Luft-Kraftstoffgemisch betrieben, wobei für ein Zeitintervall Δt₂ eine Einblasung von Sekundär-Luftmasse in das Abgas erfolgt und zur Aufheizung von aufgefangenen Partikeln auf eine Zündtemperatur ein Luft/Kraftstoffgemisch im Bereich der oxidationskatalytischen Beschichtung exotherm oxidiert wird.

Da erfindungsgemäß durch die exotherme Oxidation im Bereich der oxidationskatalytischen Beschichtung des Filters ein lokaler Energieeintrag direkt in dem Bereich erzeugt wird, in dem aufgefangene Partikel sich befinden, ist eine besonders effektive Aufheizung der Partikel auf eine Zündtemperatur möglich, wodurch der benötigte Energieaufwand für die Regeneration reduziert und gegebenenfalls auch im Teillastbereich mit geringen Abgastemperaturen eine Regeneration des Filters bedarfsgerecht vorgenommen werden kann. Damit wird der für eine Regeneration zur Verfügung stehende Kennfeldbereich des Verbrennungsmotors deutlich gegenüber dem Stand der Technik vergrößert. Die erfindungsgemäße Lösung erfordert keine Additive und damit auch keinen entsprechenden konstruktiven Aufwand, wie beispielsweise einen zusätzlichen Tank. Ein durch Additive bedingter Ascheeintrag in den Filter wird vollständig vermieden. Ein Wartungsintervall, wie es beispielsweise zum Auffüllen eines Additivtanks im Stand der Technik erforderlich ist es, enfällt bei der erfindungsgemäßen Lösung ebenfalls.

Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.

Wenn die Anforderung einer Regeneration in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors erfolgt, lassen sich überflüssige Regenerationen des Filters vermeiden ohne das es zu einer Beeinträchtigung der Filterfunktion durch eine verringerte Anzahl von Regenerationen kommt. Ein einfaches Management der Filterregeneration umfasst gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine Anforderung zur Regeneration, falls der Verbrennungsmotor für ein vorgegebenes Zeitintervall im Teillast betrieben wurde, da dann eine Beladung des Filters mit einer bestimmten Partikelmenge anzunehmen ist, ohne dass durch die beim Fahrbetrieb mit Teillast üblicherweise auftretenden niedrigen Abgastemperaturen eine automatische Regeneration des Filters erreicht wird. Es ist zweckmäßig, dass zumindest temporär keine Anforderung zur Regeneration erfolgt, falls der Verbrennungsmotor für ein vorangegangenes vorgegebenes Zeitintervall mit Volllast betrieben wurde, da dann bereits durch den Volllastbetrieb eine automatische Regeneration erfolgte.

Es ist zweckmäßig, wenn der Wert Lambda < 1 sowie die Zeitintervalle Δt₁ und Δt₂ aufeinander abgestimmt gewählt werden, um den lokalen Energieeintrag im Bereich der Beschichtung zu optimieren. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn Lambda < 1, Δt₁ und Δt₂ derart gewählt werden, dass eine vorgegebene Zündtemperatur für eine ausreichend lange Zeit im Bereich der oxidationskatalytischen Beschichtung erreicht worden ist. Ein bevorzugter Wert von Lambda 1 liegt in einem Bereich zwischen 0,7 und 0,9. Das Zeitintervall Δt₁ liegt beispielsweise typischerweise in einem Bereich zwischen 10 und 80 Sekunden. Das Zeitintervall Δt₂ liegt vorzugsweise ebenfalls in einem Zeitintervall zwischen 10 und 80 Sekunden. Da eine Veränderung des motorischen Lambdawerts erst mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung in der Abgasanlage stromab des Verbrennungsmotors zu einer Veränderung des Abgaslambdawertes führt, wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung der Beginn des Zeitintervalls Δt₂ nach Beginn des Zeitintervalls Δt₁ gewählt. Damit wird erreicht, dass ein zeitlich vor der Sekundärlufteinblasung fettes Kraftstoffgemisch in der Abgasanlage zusammen mit einer durch die Sekundärlufteinblasung in die Abgasanlage eingebrachten Luftmenge im Bereich der oxidationskatalytischen Beschichtung vorliegt und dort eine exotherme Oxidation des Luftkraftstoffgemischs optimal erfolgen kann. Je nach Abgaslaufzeiten ist eine Überlappung von 20 % bis 80 % zwischen den beiden Zeitintervallen Δt₁ und Δt₂ zweckmäßig.

Als oxidationskatalytische Beschichtung sind vorzugsweise Edelmetalle aus der Platingruppe, wie beispielsweise Platin oder Palladium vorgesehen_: Der Partikelfilter kann in einer Weiterbildung der Erfindung als Oxidations-, Dreiwege- oder NO_x-Speicherkatalysator ausgebildet sein und auf diese Weise eine kombinierte Wirkung bei der Abgasnachbehandlung übernehmen.

Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch unabhängig von der Zusammenfassung in den Ansprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen.
Die Zeichnungen zeigen in
1 einen Verbrennungsmotor mit einem Partikelfilter
2 das zeitliche Temperaturverhalten an zwei Positionen einer Abgasanlage, stromauf bzw. stromab eines mit einer oxidationskatalytischen Beschichtung versehenen Partikelfilters, während einer Regeneration.
In 1 ist ein Verbrennungsmotor 1 vorzugsweise ein Dieselmotor oder ein direkteinspritzender Ottomotor mit einer Abgasanlage 2 und einem Partikelfilter 3 thematisch dargestellt. Der Partikelfilter 3 kann auch in Unterbodenlage verbaut sein. Der Partikelfilter 3 umfasst eine oxidationskatalytische Beschichtung 4, beispielsweise aus einem Edelmetallmaterial wie Platin oder Palladium. Die Abgasanlage 2 ist mit einer Luftleitung 5 mit einer Sekundärluftpumpe 6 verbunden. Die Luftleitung 5 ist an der Einleitungsstelle 7 stromauf des Partikelfilters 3 mit der Abgasanlage 2 verbunden. Mittels der Sekundärluftpumpe 6 kann stromaufwärts des Partikelfilters 3 bei Bedarf eine Sekundärlufteinblasung in das Abgas erfolgen. Zur Veranschaulichung des Sekundärluftstroms sind in der 1 im Bereich der Luftleitung 5 sowie der Abgasanlage 2 Pfeile in Fließrichtung des Sekundärluftstroms eingezeichnet. Zur Steuerung des Verbrennungsmotors 1 und seiner Komponenten ist eine Motorsteuerung vorgesehen. Es versteht sich, dass der Verbrennungsmotor 1 sowie die Abgasanlage 2 mit der Motorsteuerung sowie mit verschiedenen Sensoren, beispielsweise zur Messung von Temperatur, Lambdawert des Abgases oder dergleichen verbunden sind, die in 1 nicht zeichnerisch dargestellt sind. Die Sekundärluftpumpe 6 kann als mechanischer Kompressor, elektrisches Gebläse oder Turbolader ausgebildet sein. Zweckmäßig ist es, wenn die an Sekundärluftmasse einstellbar ist.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Der Partikelfilter 3 wird in Betriebsverlauf mit filtrierten Partikeln beladen und muss daher intervallmäßig bzw. diskontinuierlich regeneriert werden. Zur Regeneration werden die aufgefangenen Partikel auf eine Zündtemperatur von beispielsweise 500°, 550° oder 600°C aufgeheizt.
Eine Notwendigkeit zur Regeneration kann auf verschiedene Weise festgestellt werden, beispielsweise durch Diagnose des Partikelfilters oder in Abhängigkeit von aktuellen Betriebsparametern des Verbrennungsmotors, insbesondere von der Zeit, die der Verbrennungsmotor 1 in bestimmten Betriebspunkten des Lastdrehzahlkennfeldes betrieben wurde. Falls eine Notwendigkeit für eine Regeneration des Partikelfilters festgestellt wurde, erfolgt vorzugsweise von der Motorsteuerung eine Anforderung einer Regeneration. Nach einer Anforderung einer Regeneration wird der Verbrennungsmotor 1 für ein Zeitintervall Δt₁ mit einem motorischen Lambda < 1 Luft-Kraftstoffgemisch, also fett betrieben und für ein Zeitintervall Δt₂ eine Menge an Sekundärluft in das Abgas stromauf des Partikelfilters eingeblasen. Im Bereich der oxidationskatalytischen Beschichtung des Partikelfilters erfolgt eine exotherme Oxidierung von Luft-Kraftstoffgemisch und damit eine Aufheizung von aufgefangenen Partikel bis auf eine Zündtemperatur oder einen höheren Temperaturwert.
Der kurzzeitige Fettbetrieb des Motors führt bei den abgelagerten Partikeln zu einem erhöhten Eintrag von Reduktionsmitteln, da diese sich bevorzugt an Rußmaterialien anlagern, so dass auch eine direkte Rußzündung und Oxidation im Filter möglich ist.
Durch geeignetes Ansteuern der Sekundärluftpumpe 6 zusammen mit einem fetten Luft-Kraftstoffgemisch wird erreicht, dass die Exothermie lokal im Bereich der oxidationskatalytischen Beschichtung 4 im Partikelfilter 3 erzeugt wird. Vermieden werden kann eine Exothermie in den dem Partikelfilter 3 oder der Beschichtung 4 stromauf vorgelagerten Bereichen der Abgasanlage 2. Da die oxidationskatalytische Beschichtung 4 die exotherme Reaktion von eingeblasener Sekundärluft und fettem Luft-Kraftstoffgemisch erleichtert, kann das System Abgasanlage-Luftkraftstoffgemisch derart eingestellt werden, dass exothermische Reaktionen im wesentlichen Umfang auch tatsächlich lediglich im Bereich der Beschichtung 4 auftreten. Insbesondere, wenn der Partikelfilter 3 bzw. die Beschichtung 4 über eine Sauerstoffspeicherfähigkeit verfügen, können bedarfsweise die eingeblasene Sekundärluft und eine Menge fetten Abgases auch voneinander getrennt oder mit nur geringem Überlapp in stromauf vor dem Partikelfilter 3 oder der Beschichtung 4 angeordneten Bereichen der Abgasanlage 2 eingebracht werden.
Zur Vermeidung einer zu hohen thermischen Belastung des Partikelfilters 3 wird durch die Motorsteuerung gewährleistet, dass die Temperatur bei der Regeneration einen vorgegebenen Schwellwert nicht überschreitet.
In 2 ist das zeitliche Temperaturverhalten an zwei Positionen A, B der Abgasanlage 2 gemäß 1 dargestellt, wie es typischerweise bei einer erfindungsgemäßen Regeneration eines Partikelfilters auftritt. Die mit A bezeichnete Kurve entspricht der Temperatur in einem Bereich an einer Position A stromauf des Partikelfilters 3. Die mit B bezeichnete Kurve beschreibt das Temperaturverhalten an einer Position stromabwärts im Ausgangsbereich des Partikelfilters. Der Partikelfilter ist mit einer oxidationskatalytischen Beschichtung versehen, wie sie in Oxidationskatalysatoren üblicherweise eingesetzt wird. Bei der in 2 dargestellten Regeneration wurde ein fettes Rohabgas mit Sekundärluft beaufschlagt. Erkennbar ist, dass bei der Kurve A nur eine relativ geringe Temperaturerhöhung bei einem Zeitwert von ca. 410 Sekunden beginnend auftritt, die bei einem Zeitwert von ca. 460 Sekunden wieder auf den ursprünglichen Wert abgesunken ist. Mit einer zeitlichen Verzögerung ist an der Position B stromab des Partikelfilters ein relativ höherer Temperaturanstieg festzustellen, der bei einem Zeitwert von ca. 450 Sekunden ein Maximum erreicht mit einer Temperaturdifferenz von Δt = 430 K. Die dabei erreichte Temperatur im Abgassystem an der Position B lag im Bereich der Zündtemperatur typischer Russablagerungen im Partikelfilter. Der Verbrennungsmotor wurde hierbei in einem Betriebspunkt mit 1.600 1/min. und einer Last von 3,8 bar, also in einem Teillastbereich betrieben.

1: Motor
2: Abgasanlage
3: Partikelfilter
4: katalytische Beschichtung
5: Luftleitung
6: Sekundärluftpumpe
7: Einleitungsstelle

Claims

Verfahren zum Regenerieren eines in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors angeordneten Partikelfilters mit einer oxidationskatalytischen Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass nach Anforderung einer Regeneration für ein Zeitintervall Δt₁ der Verbrennungsmotor mit Lambda < 1 Luft-Kraftstoffgemisch betrieben wird für ein Zeitintervall Δt₂ eine Sekundär-Lufteinblasung in das Abgas erfolgt und zur Aufheizung von aufgefangenen Partikeln auf eine Zündtemperatur zumindest eine Teilmenge des Luft-Kraftstoffgemischs im Bereich der oxidationskatalytischen Beschichtung exotherm oxidiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anforderung einer Regeneration in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors, insbesondere in Abhängigkeit vom Last-Drehzahl-Betriebspunkt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anforderung erfolgt, falls der Verbrennungsmotor für ein vorgegebenes Zeitintervall mit Teillast betrieben wurde.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für ein vorgegebenes Zeitfenster eine Anforderung nicht erfolgt, falls der Verbrennungsmotor für ein vorgegebenes Zeitintervall mit Volllast betrieben wurde.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintervall Δt₁ in einem Bereich zwischen 10 und 80 Sekunden liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintervall Δt₂ in einem Bereich zwischen 10 und 80 Sekunden liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn des Zeitintervalls Δt₂ nach dem Beginn des Zeitintervalls Δt₁ liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überlappung zwischen 20 % und 80 % zwischen den Zeitintervallen Δt₁ und Δt₂ vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündtemperatur einen Wert von 500°C, 550°C oder 600°C aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oxidationskatalytische Beschichtung Edelmetalle aus der Platingruppe umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter als Oxidations-, Dreiwege- oder NO_x-Speicherkatalysator ausgebildet ist.
Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage mit in dieser angeordneten Partikelfilter mit einer oxidationskatalytischen Beschichtung und einer Sekundärluftpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass eine Motorsteuerung derart ausgelegt ist, dass nach Anforderung einer Regeneration für ein Zeitintervall Δt₁ der Verbrennungsmotor mit Lambda < 1 Luft-Kraftstoffgemisch betrieben wird für ein Zeitintervall Δt₂ mittels der Sekundärluftpumpe eine Sekundär-Lufteinblasung in das Abgas erfolgt und zur Aufheizung von aufgefangenen Partikeln auf eine Zündtemperatur zumindest eine Teilmenge des Luft-Kraftstoffgemischs im Bereich der oxidationskatalytischen Beschichtung exotherm oxidiert wird.